一种发动机孪生模型建模系统及建模方法

1.本发明涉及工程机械的技术领域，尤其涉及一种发动机孪生模型建模系统及建模方法。


背景技术：

2.工程机械在道路施工、大型工程建设维护、国防施工及能源开发等领域中均发挥着重要作用。近年来工程机械的智能化、数字化取得了较快发展。在工程机械领域研制出了多种产品，如智能挖掘机、旋挖钻机、装载机。在工程机械产品研究、设计、生产、使用过程中，仿真技术的应用最为广泛。根据仿真规模可以分为云计算仿真、普通计算机仿真和边缘计算仿真；根据应用领域可分为结构仿真、运动仿真、控制策略仿真、性能仿真等。云计算仿真是近年来的研究热点，云计算的使用依赖于系统基础设施和应用程序。普通计算机仿真是近几十年应用最广泛的仿真技术，在各个领域发挥了重要作用，通常仿真模型复杂，计算时间较长，精度较高。边缘计算是近年来结合在线仿真的一种新型仿真手段，其计算能力有限、开发成本高，特点是可以实时仿真。
3.2002年美国密歇根大学michael教授基于产品生命周期管理提出了数字孪生概念，2010年美国国防部最先利用数字孪生技术开展航空航天飞行器健康维护与保障，2017年北京航空航天大学数字孪生研究组发表了国内首篇数字孪生的文章。因数字孪生能够为智能制造、工业4.0、工业互联网、智慧城市、机场运营等技术或理念的落地实施赋能，受到高等院校、企业、科研院所等各行各业的关注，已成为近年的热点研究问题。随着数字孪生技术应用的不断推广，有望在工程机械产品得到应用与推广，通过信息化、数据化、智能化管控，实现工程机械产品的节能减排。
4.但是，目前工程机械发动机性能仿真存在的主要问题有以下：
5.(1)目前针对发动机的性能仿真大多是采用有限元法、有限差分法、有限容积法等数值求解方法，计算量大，耗时长，不能实现孪生过程，可见工程机械施工过程发动机数字孪生模型的建模方法不成熟；
6.(2)传统的发动机仿真模型校核过程仅对部分工况进行一次校核，工况或边界条件发生变化后模型的精度不能保证。数字孪生模型要求全工况范围进行标定，甚至随着使用寿命增加，发动机模型也要重新标定；
7.(3)传统的工程机械发动机的参数控制依赖标定，标定完成后，发动机ecu内的参数控制策略不能修改。但数字孪生要求全生命周期内可以对发动机的控制策略进行优化。
8.基于此，本发明提供一种发动机孪生模型建模系统及建模方法。


技术实现要素：

9.本发明针对现有技术存在的不足，提供一种发动机孪生模型建模系统及建模方法。
10.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
11.第一方面，本发明提供一种发动机孪生模型建模系统。
12.一种发动机孪生模型建模系统，包括实物样机、服务器和发动机孪生模型；
13.所述实物样机为旋挖钻机及搭载的柴油机；
14.所述旋转钻机上设置有多种传感器、控制器、数据采集器、数据发送器和数据接收器，其中：
15.所述数据采集器采集实物样机上的参数，一部分参数直接从can总线进行采集；另一部分参数直接与传感器相连进行采集；
16.所述服务器用于与实物样机上的数据进行实时交互，且所述服务器具有发动机孪生模型的运行环境；
17.所述发动机孪生模型是实际发动机的虚拟孪生体，跟随实际发动机实时运行，发动机孪生模型计算一个工作循环的时间小于发动机实际工作一个工作循环的时间；
18.所述发动机孪生模型包括参数输入模块、参数输出模块和求解模块，其中：
19.所述参数输入模块具备数据分析和数据处理能力，所述参数输入模块用于输入发动机孪生模型的初始数据，所述初始数据是从实物样机上采集的参数，包括发动机转速、进气压力、温度、排气温度、压力、过量空气系数、污染物测量；
20.所述参数输出模块用于输出发动机孪生模型仿真得到的发动机性能参数，实现数据显示和存储；
21.所述求解模块包括换气过程仿真模块、排气余热能仿真模块、排放参数仿真模块、传热过程仿真模块、热功转化过程仿真模块、机械损失仿真模块、性能参数仿真模块，其中：
22.所述换气过程仿真模块用于根据进气压力、温度、转速、油门开度计算新鲜空气进气流量、egr流量，根据燃油流量计算燃油总能量；
23.所述排气余热能仿真模块用于根据排气温度、流量计算排气余热能、余热能占比；
24.所述排放参数仿真模块用于根据进气量、喷油量和污染物体积排放量计算比排放和燃烧效率；
25.所述传热过程仿真模块用于计算包括冷却系统的散热、润滑油的散热、缸体的散热和系统储热；
26.所述热功转换过程仿真模块用于获取发动机指示性能参数；
27.所述机械损失仿真模块用于根据发动机转速、油门开度计算机械损失量；
28.所述性能参数仿真模块用于根发动机转速、扭矩比计算发动机动力性能参数，根据燃油量和发动机工况计算经济性能参数。
29.进一步的，从can总线采集的参数包括发动机转速、喷油量、扭矩百分比、进气压力和温度；与传感器相连采集的参数包括排气压力、温度、过量空气系数、污染物。
30.进一步的，所述传感器包括发动机转速传感器、进气压力传感器、温度传感器、排气温度传感器、压力传感器、排气氧传感器、污染物测量传感器。
31.进一步的，所述控制器包括主控制器和从控制器，所述主控制器负责处理传感器、显示屏和交换机部件的信号；所述从控制器通过can总线与执行器相连，通过can总线接入发动机、液压、机身位置传感器的信号。
32.进一步的，所述数据发送器通过5g信号将数据发送到互联网，服务器直接读取数据发送器发送的以太网数据。
33.进一步的，所述数据接收器接收5g信号数据，并将信号传递给执行器，从而控制实物样机施工。
34.第二方面，本发明提供一种发动机孪生模型建模方法。
35.一种发动机孪生模型建模方法，应用于上述的建模系统，包括以下步骤：
36.s1：通过多种传感器+can总线实时采集实物样机的关键参数；
37.s2：实物样机瞬态数据预处理；
38.s3：运行可以实现数字孪生的发动机孪生模型；
39.s4：完成实物样机仿真过程的自适应调控；
40.s5：完成实物样机状态评估及控制策略反馈。
41.进一步的，步骤s2具体包括：
42.s2.1：将以发动机时间为基准的数据转化为以发动机循环为基准的数据，其中，发动机一个工作循环对应一组采集数据，利用以下公式计算发动机工作一个循环需要的时间t：
[0043][0044]
式中，n是发动机转速，δ与发动机冲程相关，当发动机冲程为四冲程时，δ取2，当发动机冲程为二冲程时，δ取1；如果在时间内某个参数采集到的数据量多于一个，则对这些数据进行平均处理，即减少数据量；如果某个参数需要多倍时间才能采集到一个数据，则对采集到的两个数据进行插值处理，使得每个时间都对应一个数据，即填补数据量；经过以上处理后每个发动机工作循环，每种参数对应一个值、一个时间和一个编号；
[0045]
s2.2：完成发动机关键参数显示及发动机模型初始数据预处理。
[0046]
进一步的，步骤s3具体包括：
[0047]
s3.1：利用换气过程仿真模块进行计算得到包括进气流量、充量系数、egr流量在内的参数，其中发动机的实际进气流量计算如下：
[0048][0049]
式中，m
air
是进气流量，p
in
是压气机后压力，φ是发动机充量系数，vd是发动机排量，z是发动机气缸数，r是空气的气体常数，t
in
是进气歧管温度，其中，充量系数的计算如下：
[0050]
φ＝a+b
×
β+c
×
β2+d
×
n+e
×
n2[0051]
β为发动机的油门踏板开度，a、b、c、d、e为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到；
[0052]
s3.2：利用排气余热能仿真模块进行计算得到包括发动机排气余热能、余热能占比的参数，其中，根据排气流量、排气温度和定压比热容计算发动机排气余热能，计算公式如下：
[0053]qexh
＝m
exh
×
(c
p.exh
×
t
exh-c
p.air
×
t
air
)
[0054]
式中，m
exh
为通过发动机排气流量，c
p.exh
和c
p.air
分别为发动机排气阀出口和环境大气的定压比热容，t
exh
和t
air
分别为发动机排气阀出口和环境大气的温度；
[0055]
s3.3：利用排放污染物仿真模块计算得到氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳的流量，计算公式为：
[0056]mnox
＝0.001587
×vnox
×
(m
air
+m
fuel
)
[0057]mhc
＝0.000479
×vhc
×
(m
air
+m
fuel
)
[0058]mco
＝0.000966
×vco
×
(m
air
+m
fuel
)
[0059]
式中，m
nox
、m
hc
、m
co
分别是氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳的流量，单位为g/h；v
nox
、v
hc
、v
co
分别是氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳的体积分数，单位为ppm；m
fuel
为燃油流量。
[0060]
通过未完全燃烧的污染物计算燃烧效率，计算公式如下：
[0061][0062]
式中，m
fuel
、m
hc
、m
co
、分别表示燃油流量、碳氢化合物流量、一氧化碳流量和氢气流量；e
fuel
、e
hc
、e
co
、分别表示燃油低热值、碳氢化合物低热值、一氧化碳低热值和氢气低热值；利用燃油流量和燃油低热值以及燃烧效率计算得到燃料释放的能量和未燃损失的能量；
[0063]
s3.4：利用传热过程仿真模块计算发动机传热损失，所述发动机传热损失的热量包括冷却系统的散热、润滑油的散热、缸体的散热和系统储热，冷却系统的散热计算公式如下：
[0064]qcool
＝m
cool
×
(c
p.out
×
t
out-c
p.in
×
t
in
)
[0065]
式中，m
cool
为通过发动机冷却液的流量，c
p.in
和c
p.out
分别为发动机冷却液的进口定压比热容和出口定压比热容，t
in
和t
out
别为发动机冷却液的进口的温度和出口的温度；
[0066]
总的传热损失计算公式如下：
[0067]qtra
＝q
cool
+m+n
×
t
exh
[0068]
式中，q
tra
为总的传热损失量，m、n为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到；
[0069]
s3.5：利用热功转换过程仿真模块得到包括指示功率、指示扭矩、指示平均压力、指示热效率、指示燃油消耗率在内的参数；
[0070]
其中，发动机热功过程转化为指示功率对应的热量计算如下：
[0071]qind
＝q
fuel-q
fuel
×
η-q
exh-q
tra
[0072]qfuel
＝m
fuel
×efuel
[0073]
式中，η为未完全燃烧的污染物的燃烧效率，q
fuel
为燃油消耗功率对应的热量；
[0074]
s3.6：利用机械损失仿真模块计算得到包括机械损失功率、平均机械损失压力、机械效率在内的参数，其中，机械损失仿真模块包括摩擦损失和附件功耗，摩擦损失的功计算如下：
[0075][0076]
式中，w
fri
为发动机摩擦损失的功，a、b、c、d、e为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到；
[0077]
s3.7：利用有效性能参数仿真模块计算得到包括发动机有效功率、有效扭矩在内的参数，计算公式如下：
[0078][0079][0080]
式中，pe是发动机的有效功率，t
tor
为发动机有效扭矩，tf为发动机当前转速的外特性扭矩，通过外特性扭矩和当前转速插值得到，发动机扭矩百分比，通过can总线读取得到；
[0081]
s3.8：通过软硬件在环实现模型校核。
[0082]
综上所述，与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：
[0083]
(1)利用实测数据和计算公式建立的发动机孪生模型相对简单，可以实现实时仿真；利用软硬件在环实现发动机校核模，仿真的精度较高，本发动机数字孪生模型在仿真时间和精度之间寻求平衡；
[0084]
(2)实现了发动机实物和发动机孪生模型的实时数据交互，两者共存共生，相互影响，发动机数字孪生模型的初始数据是实时更新的，是对发动机的在线实时仿真，同时仿真结果又会影响发动机的实际工作过程，这也是称之为发动机数字孪生的原因，发动机孪生并非只是数学模型，是包括软件、硬件和通讯的整个系统；
[0085]
(3)发动机孪生模型可以实现工程机械施工过程发动机全生命周期的性能仿真，全程开展发动机参数分析、故障分析，参数智能控制，对工程机械智慧施工具有重要意义；
[0086]
(4)本发明实现发动机操控策略的在线优化，利用发动机孪生模型可以对发动机的操控策略进行优化，提高工程机械整机的作业性能，实现节能减排，传统的发动机ecu(电子控制单元)的计算能力有限，发动机孪生模型是运行在服务器(计算机)，因此可以进行比较复杂的运算和分析，相当于给发动机增加了一个超级ecu。
附图说明
[0087]
图1为本发明实施例一种发动机孪生模型建模系统的整体框图；
[0088]
图2为本发明实施例一种发动机孪生模型建模系统中的发动机孪生模型的结构框图；
[0089]
图3为本发明实施例一种发动机孪生模型建模方法中的流程示意图。
具体实施方式
[0090]
以下结合全部附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0091]
本发明实施例公开一种发动机孪生模型建模系统及建模方法。
[0092]
第一方面，本发明实施例提供一种发动机孪生模型建模系统。
[0093]
一种发动机孪生模型建模系统，包括实物样机、服务器和发动机孪生模型；
[0094]
本发明实施例中的实物样机为工程机械发动机(旋挖钻机及搭载的柴油机)；
[0095]
旋转钻机上设置有多种传感器、控制器、数据采集器、数据发送器和数据接收器，
其中，传感器包括发动机转速传感器、进气压力传感器、温度传感器、排气温度传感器、压力传感器、排气氧传感器、污染物测量传感器。
[0096]
控制器包括主控制器和从控制器，所述主控制器负责处理传感器、显示屏和交换机部件的信号；所述从控制器通过can总线与执行器相连，通过can总线接入发动机、液压、机身位置传感器的信号。
[0097]
数据采集器采集实物样机上的参数，一部分参数直接从can总线进行采集，另一部分参数直接与传感器相连进行采集。从can总线采集的参数包括发动机转速、喷油量、扭矩百分比、进气压力和温度；与传感器相连采集的参数包括排气压力、温度、过量空气系数、污染物。
[0098]
数据发送器通过5g信号将数据发送到互联网，服务器直接读取数据发送器发送的以太网数据。
[0099]
数据接收器接收5g信号数据，并将指令传递给执行器，从而控制旋转钻机施工。
[0100]
本发明实施例中的服务器为计算机，用于与实物样机上的数据进行实时交互，且计算机具有发动机孪生模型的运行环境，包括软硬件条件；计算机能与实物样机上的数据发送设备(数据发送器)和数据接收设备(数据接收器)实现通讯，数据或任务指令通过5g通讯终端传输，实现数据实时交互。
[0101]
因为数字孪生的要求，计算机具备数据处理能力较强，数据存储量大，能够长时间无故障运行的特点。传统的发动机ecu的计算能力有限，发动机孪生模型是运行在计算机上，因此可以进行比较复杂的运算和分析，相当于给发动机增加了一个超级ecu。
[0102]
发动机孪生模型是实际发动机的虚拟孪生体，跟随实际发动机实时运行，发动机孪生模型计算一个工作循环的时间小于发动机实际工作一个工作循环的时间。
[0103]
发动机孪生模型包括参数输入模块、参数输出模块和求解模块，其中：
[0104]
参数输入模块具备数据分析和数据处理能力，参数输入模块用于输入发动机孪生模型的初始数据，所述初始数据是从实物样机上采集的参数，包括发动机转速、进气压力、温度、排气温度、压力、过量空气系数、污染物测量。
[0105]
参数输出模块用于输出发动机孪生模型仿真得到的发动机性能参数，实现数据显示和存储。如发动机动力性能参数包括功率、扭矩，经济性能参数包括有效燃油消耗量、有效热效率，排放性能参数包括一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、颗粒物等。
[0106]
求解模块包括换气过程仿真模块、排气余热能仿真模块、排放参数仿真模块、传热过程仿真模块、热功转化过程仿真模块、机械损失仿真模块、性能参数仿真模块，其中：
[0107]
换气过程仿真模块用于根据进气压力、温度、转速、油门开度计算新鲜进气流量、egr流量(废气再循环的流量)，根据燃油流量计算燃油总能量；
[0108]
排气余热能仿真模块用于根据排气温度、流量计算排气余热能、余热能占比；
[0109]
排放参数仿真模块用于根据进气流量、喷油量和污染物体积排放量计算比排放和燃烧效率；
[0110]
传热过程仿真模块用于计算包括冷却系统的散热、润滑油的散热、缸体的散热和系统储热；
[0111]
热功转换过程仿真模块用于获取发动机指示性能参数，如指示功率、指示扭矩、指示平均压力、指示热效率、指示燃油消耗率等，通过燃油总能量减去燃烧损失能量，减去排
气余热能，减去传热损失能量得到活塞做功的能量，进而计算指示性能。指示功对应的能量包括有效做功的能量和机械损失的能量；
[0112]
机械损失仿真模块用于根据发动机转速、油门开度计算机械损失量；
[0113]
性能参数仿真模块用于根发动机转速、扭矩比计算发动机动力性能参数，根据燃油量和发动机工况计算经济性能参数。
[0114]
第二方面，本发明提供一种发动机孪生模型建模方法。
[0115]
一种发动机孪生模型建模方法，应用于上述的建模系统，包括以下步骤：
[0116]
s1：通过多种传感器+can总线实时采集实物样机的关键参数。
[0117]
具体的，采集工程机械整机上的发动机关键参数，一部分直接从can总线读取，如发动机转速、喷油量、扭矩百分比、进气压力和温度等；一部分直接与传感器相连采集数据，如排气压力、温度、过量空气系数、污染物等。
[0118]
不同参数采用频率不尽相同，但都是以时间为基准，即每个参数对应一个时间量。
[0119]
数据发送器通过5g信号将数据发送到互联网，计算机上直接读取数据发送器发送的以太网数据。
[0120]
s2：实物样机瞬态数据预处理。
[0121]
s3：运行可以实现数字孪生的发动机孪生模型。
[0122]
具体的，通过模块化建立了发动机孪生模型，采用软硬件在环实现模型校核，提高发动机性能参数在线仿真的精准度。当仿真模型(孪生模型)获取到实物样机发动机一个循环的运行参数后，仿真模型自动启动并调用发动机关键参数作为本次仿真的初始条件，数据输入则触发发动机模型运行。
[0123]
s4：完成实物样机仿真过程的自适应调控。
[0124]
具体的，在s2中参数在保存时包括了时间、编号和参数值。在初始参数与模型数据接口处增加一个时间计数器，记录发动机孪生模型的仿真时间和运行循环编号ns。显然发动机孪生模型的仿真时间t
t
滞后于本次参数采集的时间，但是应该在下一次参数采集的时间之前；模型的运行循环编号与采集的参数编号一致。s3中的发动机孪生模型运行的时长应该短于两次参数采集的时间差，因此模型仿真完成后还有一段时间才能读取到下一个循环的初始条件(初始数据)。发动机孪生模型完成一次运算后，模型的进程继续保留，模型尝试去调用新的初始条件，直到获取到新的值，可通过时间或循环编号判断该值是否为最新的初始条件，高转速等待的时间短(理论上最高速时不需要等待，模型连续运算)，低转速等待的时间长，从而实现发动机仿真过程的自适应调控。
[0125]
s5：完成实物样机状态评估及控制策略反馈。
[0126]
具体的，在上述步骤s1-s4中得到了发动机实测数据和发动机仿真数据，对这些数据进行分析、处理，评价发动机的工作性能表现，并反馈控制策略及建议。
[0127]
a、对发动机仿真结果实现实时显示
[0128]
当模型计算完成后可以得到发动机的性能参数，采用具体数字或曲线或柱状图的形式实时显示结果，并将结果保存为文件。关键参数如有效功率、扭矩、转速，有效热效率、有效燃油消耗量、比排放等，可显示在专用显示器上或者通过5g通讯将结果传递到工程机械的仪表盘上，供工程师或驾驶员参考。
[0129]
b、对发动机工作性能与发动机台架性能的比较
[0130]
以发动机转速和油门踏板位置确定发动机的工况，将发动机实时计算得到的性能参数结果与发动机台架试验的性能参数结果进行比较，得到工程机械施工过程发动机的性能表现，并对其作出评估。如果发现发动机工作过程的性能明显劣于发动机台架的性能，则给出警示信号，需要对发动机进行检修。
[0131]
c、对发动机稳态作业性能与瞬态作业性能比较
[0132]
对比发动机实际工作过程中稳态工况的作业性能与瞬态工况的作业性能表现，并对其作出评估。如果瞬态工况频繁、性能明显偏差，则对驾驶员操控方式提出警示和建议。
[0133]
d、对发动机生命周期不同时间点的性能比较
[0134]
发动机数字孪生可以得到全生命周期内的性能数据，将当前的发动机性能数据与历史上相同工况的性能数据进行对比。如果性能明显偏差，则对发动机疲劳、耐久、保养等方面提出建议。
[0135]
自此，实物样机在工地上施工作业，将运行参数传递给发动机模型，模型运算得到了仿真结果，对结果进行分析处理又反馈给工地上的实物样机，两者实现数据交互，彼此共生，即实现发动机的数字孪生。
[0136]
作为本发明实施例中的另一种实施方式，步骤s2可以包括以下步骤：
[0137]
s2.1：将以发动机时间为基准的数据转化为以发动机循环为基准的数据。
[0138]
具体的，为了方便发动机实物与发动机孪生模型进行数据交互和仿真运算，计算机获取到发动机参数后，采用发动机工作循环为参考，对数据进行预处理，即发动机一个工作循环对应一组采集数据。
[0139]
利用以下公式计算发动机工作一个循环需要的时间t：
[0140][0141]
式中，n是发动机转速，δ与发动机冲程相关，当发动机冲程为四冲程时，δ取2，当发动机冲程为二冲程时，δ取1；如果在时间内某个参数采集到的数据量多于一个，则对这些数据进行平均处理，即减少数据量；如果某个参数需要多倍时间才能采集到一个数据，则对采集到的两个数据进行插值处理，使得每个时间都对应一个数据，即填补数据量；经过以上处理后每个发动机工作循环，每种参数对应一个值、一个时间和一个编号。
[0142]
s2.2：完成发动机关键参数显示及发动机模型初始数据预处理。
[0143]
具体的，采用具体数字或曲线或柱状图的形式显示直接采集到的发动机部分参数，如转速、油门踏板开度、燃油流量等。
[0144]
对于发动机孪生模型所需要的初始条件(初始数据)，如进排气温度压力、温度、油门踏板开度、转速等，以文件形式存储在计算机某文件夹里，供模型调用。为了方便后续模型调用和人员查阅，各参数在保存时应包括时间、编号和参数值。
[0145]
作为本发明实施例中的另一种实施方式，步骤s3可以包括以下步骤：
[0146]
s3.1：利用换气过程仿真模块进行计算得到包括进气流量、充量系数、egr流量在内的进气量参数。
[0147]
具体的，根据发动机结构参数(缸径、行程、压缩比等)，以及发动机油门踏板位置、压气机后压力和温度等，计算得出发动机换气过程的参数，如充量系数、等。其中发动机的实际进气流量计算如下：
[0148][0149]
式中，m
air
是进气流量，p
in
是压气机后压力，φ是发动机充量系数，vd是发动机排量，z是发动机气缸数，r是空气的气体常数，t
in
是进气歧管温度。柴油机充量系数与转速和油门踏板位置密切相关，尤其是转速。其中，充量系数的计算如下：
[0150]
φ＝a+b
×
β+c
×
β2+d
×
n+e
×
n2[0151]
式中，β为发动机的油门踏板开度，a、b、c、d、e为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到。
[0152]
通过氧传感器测量过量空气系数λ和燃油流量m
fuel
也可以计算得到进气流量，两种获取进气流量的方法可以相互验证。计算公式为：
[0153]mair
＝afr
×
λ
×mfuel
[0154]
式中，afr为燃油理论空燃比，柴油约为14.3，汽油约为14.7，λ为过量空气系数。
[0155]
此外，根据进气流量、egr率还可以计算egr的流量m
egr
，公式如下：
[0156]megr
＝(m
air
+m
egr
)
×
η
egr
[0157]
式中，η
egr
为egr率，m
egr
为egr的流量。
[0158]
s3.2：利用排气余热能仿真模块进行计算得到包括发动机排气余热能、余热能占比的参数，其中，根据排气流量、排气温度和定压比热容计算发动机排气余热能，计算公式如下：
[0159]qexh
＝m
exh
×
(c
p.exh
×
t
exh-c
p.air
×
t
air
)
[0160]
式中，m
exh
为通过发动机排气流量，c
p.exh
和c
p.air
分别为发动机排气阀出口和环境大气的定压比热容，t
exh
和t
air
分别为发动机排气阀出口和环境大气的温度：
[0161]
s3.3：利用排放污染物仿真模块计算得到氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳的流量。
[0162]
具体的，发动机排放污染物主要有碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫、二氧化碳以及颗粒物等。测试过程气体排放物多采用体积占比表示。换气过程得到进气流量加上燃油流量可以计算排气总流量，计算公式为：
[0163]mnox
＝0.001587
×vnox
×
(m
air
+m
fuel
)
[0164]mhc
＝0.000479
×vhv
×
(m
air
+m
fuel
)
[0165]mvo
＝0.000966
×vco
×
(m
air
+m
fuel
)
[0166]
式中，m
nox
、m
hc
、m
co
分别是氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳的流量，单位为g/h；v
nox
、v
hc
、v
co
分别是氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳的体积分数，单位为ppm；m
fuel
为燃油流量；
[0167]
通过未完全燃烧的污染物计算燃烧效率，计算公式如下：
[0168][0169]
式中，m
fuel
、m
hc
、m
co
、分别表示燃油流量、碳氢化合物流量、一氧化碳流量和氢气流量；e
fuel
、e
hc
、e
co
、分别表示燃油低热值、碳氢化合物低热值、一氧化碳低热值和氢
气低热值；利用燃油流量和燃油低热值以及燃烧效率计算得到燃料释放的能量和未燃损失的能量；
[0170]
s3.4：利用传热过程仿真模块计算发动机传热损失。
[0171]
具体的，发动机传热损失的热量包括冷却系统的散热、润滑油的散热、缸体的散热和系统储热。其中。冷却系统的散热是最多的，另外散热量与缸内燃烧温度密切相关，采用排气阀出口温度来计算冷却系统的散热功率，计算公式如下：
[0172]qcool
＝m
cool
×
(c
p.out
×
t
out-c
p.in
×
t
in
)
[0173]
式中，m
cool
为通过发动机冷却液的流量，c
p.in
和c
p.out
分别为发动机冷却液的进口定压比热容和出口定压比热容，t
in
和t
out
别为发动机冷却液的进口的温度和出口的温度；
[0174]
总的传热损失计算公式如下：
[0175]qtra
＝q
cool
+m+n
×
t
exh
[0176]
式中，q
tra
为总的传热损失量，m、n为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到。
[0177]
s3.5：利用热功转换过程仿真模块得到包括指示功率、指示扭矩、指示平均压力、指示热效率、指示燃油消耗率在内的参数。
[0178]
具体的，热功转换过程的仿真是为了得到发动机指示性能参数，如指示功率、指示扭矩、指示平均压力，指示热效率、指示燃油消耗率等。
[0179]
其中，发动机热功过程转化为指示功率对应的热量计算如下：
[0180]qind
＝q
fuel-q
fuel
×
η-q
exh-q
tra
[0181]qfuel
＝m
fuel
×efuel
[0182]
式中，η为未完全燃烧的污染物的燃烧效率，q
fuel
为燃油消耗功率对应的热量。
[0183]
s3.6：利用机械损失仿真模块计算得到包括机械损失功率、平均机械损失压力、机械效率在内的参数。
[0184]
具体的，机械损失仿真模块包括摩擦损失和附件功耗，摩擦损失的功计算如下：
[0185][0186]
式中，w
fri
为发动机摩擦损失的功，a、b、c、d、e为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到。
[0187]
附件功耗为维持发动机正常运行的附件，主要包括水泵、油泵、风机和电器功耗，水泵和油泵功耗根据冷却液、润滑油的压力和流量计算，风机的电机功耗通过电流、电压计算。
[0188]
s3.7：利用有效性能参数仿真模块计算得到包括发动机有效功率、有效扭矩在内的参数。
[0189]
具体的，发动机有效功率和有效扭矩计算公式如下：
[0190][0191][0192]
式中，pe是发动机的有效功率，t
tor
为发动机有效扭矩，tf为发动机当前转速的外特性扭矩，通过外特性扭矩和当前转速插值得到，发动机扭矩百分比，通过can总线读取得
到。
[0193]
根据发动机的外特性扭矩和实测扭矩比计算得到发动机有效扭矩，结合发动机转速可以计算出发动机有效功率，通过转速、有效扭矩、有效功率等评价发动机的动力性能；根据燃油流量和发动机有效功率计算发动机有效燃油消耗率，结合燃料热值进而计算出有效热效率，通过燃油流量、有效燃油消耗率、有效热效率等评价发动机的经济性能。
[0194]
s3.8：通过软硬件在环实现模型校核。
[0195]
具体的，如前所述的发动机仿真模块和实测数据存在一定的冗余，或者仿真模块之间有一定的内在联系。利用这样的软硬件在环的关系实现模型校核，提高发动机性能参数在线仿真的精准度。
[0196]
比如：换气过程仿真模块，通过测量到的过量空气系数和燃油流量，也可以计算得到空气流量，即对换气过程仿真模块进行校核。上述s3.6计算的机械损失功率加上上述s3.7计算的有效功率等于上述s3.5计算得到的指示功率，通过这个关系可以对这个三个模块进行约束和校核，如果出现偏差可以对相关模块进行修正。其他仿真模块通过校核传感器测量精度即可以保证仿真结果的准确性。
[0197]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于，包括实物样机、服务器和发动机孪生模型；所述实物样机为旋挖钻机及搭载的柴油机；所述旋转钻机上设置有多种传感器、控制器、数据采集器、数据发送器和数据接收器，其中：所述数据采集器采集实物样机上的参数，一部分参数直接从can总线进行采集；另一部分参数直接与传感器相连进行采集；所述服务器用于与实物样机上的数据进行实时交互，且所述服务器具有发动机孪生模型的运行环境；所述发动机孪生模型是实际发动机的虚拟孪生体，跟随实际发动机实时运行，发动机孪生模型计算一个工作循环的时间小于发动机实际工作一个工作循环的时间；所述发动机孪生模型包括参数输入模块、参数输出模块和求解模块，其中：所述参数输入模块具备数据分析和数据处理能力，所述参数输入模块用于输入发动机孪生模型的初始数据，所述初始数据是从实物样机上采集的参数，包括发动机转速、进气压力、温度、排气温度、压力、过量空气系数、污染物测量；所述参数输出模块用于输出发动机孪生模型仿真得到的发动机性能参数，实现数据显示和存储；所述求解模块包括换气过程仿真模块、排气余热能仿真模块、排放参数仿真模块、传热过程仿真模块、热功转化过程仿真模块、机械损失仿真模块、性能参数仿真模块，其中：所述换气过程仿真模块用于根据进气压力、温度、转速、油门开度计算新鲜进气流量、egr流量，根据燃油流量计算燃油总能量；所述排气余热能仿真模块用于根据排气温度、流量计算排气余热能、余热能占比；所述排放参数仿真模块用于根据进气量、喷油量和污染物体积排放量计算比排放和燃烧效率；所述传热过程仿真模块用于计算包括冷却系统的散热、润滑油的散热、缸体的散热和系统储热；所述热功转换过程仿真模块用于获取发动机指示性能参数；所述机械损失仿真模块用于根据发动机转速、油门开度计算机械损失量；所述性能参数仿真模块用于根发动机转速、扭矩比计算发动机动力性能参数，根据燃油量和发动机工况计算经济性能参数。2.根据权利要求1所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：从can总线采集的参数包括发动机转速、喷油量、扭矩百分比、进气压力和温度；与传感器相连采集的参数包括排气压力、温度、过量空气系数、污染物。3.根据权利要求1所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：所述传感器包括发动机转速传感器、进气压力传感器、温度传感器、排气温度传感器、压力传感器、排气氧传感器、污染物测量传感器。4.根据权利要求1所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：所述控制器包括主控制器和从控制器，所述主控制器负责处理传感器、显示屏和交换机部件的信号；所述从控制器通过can总线与执行器相连，通过can总线接入发动机、液压、机身位置传感器的信
号。5.根据权利要求4所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：所述数据发送器通过5g信号将数据发送到互联网，服务器直接读取数据发送器发送的以太网数据。6.根据权利要求5所述的一种发动机孪生模型建模系统，其特征在于：所述数据接收器接收5g信号数据，并将信号传递给执行器，从而控制实物样机施工。7.一种发动机孪生模型建模方法，其特征在于：应用于权利要求1-6任意一项所述的建模系统，包括以下步骤：s1：通过多种传感器+can总线实时采集实物样机的关键参数；s2：实物样机瞬态数据预处理；s3：运行可以实现数字孪生的发动机孪生模型；s4：完成实物样机仿真过程的自适应调控；s5：完成实物样机状态评估及控制策略反馈。8.根据权利要求7所述的一种发动机孪生模型建模方法，其特征在于：步骤s2具体包括：s2.1：将以发动机时间为基准的数据转化为以发动机循环为基准的数据，其中，发动机一个工作循环对应一组采集数据，利用以下公式计算发动机工作一个循环需要的时间t：式中，n是发动机转速，δ与发动机冲程相关，当发动机冲程为四冲程时，δ取2，当发动机冲程为二冲程时，δ取1；如果在时间内某个参数采集到的数据量多于一个，则对这些数据进行平均处理，即减少数据量；如果某个参数需要多倍时间才能采集到一个数据，则对采集到的两个数据进行插值处理，使得每个时间都对应一个数据，即填补数据量；经过以上处理后每个发动机工作循环，每种参数对应一个值、一个时间和一个编号；s2.2：完成发动机关键参数显示及发动机模型初始数据预处理。9.根据权利要求8所述的一种发动机孪生模型建模方法，其特征在于：步骤s3具体包括：s3.1：利用换气过程仿真模块进行计算得到包括进气流量、充量系数、egr流量在内的参数，其中发动机的实际进气流量计算如下：式中，m
air
是进气流量，p
in
是压气机后压力，φ是发动机充量系数，v
d
是发动机排量，z是发动机气缸数，r是空气的气体常数，t
in
是进气歧管温度，其中，充量系数的计算如下：φ＝a+b
×
β+c
×
β2+d
×
n+e
×
n2式中，β为发动机的油门踏板开度，a、b、c、d、e为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到；s3.2：利用排气余热能仿真模块进行计算得到包括发动机排气余热能、余热能占比的参数，其中，根据排气流量、排气温度和定压比热容计算发动机排气余热能，计算公式如下：q
exh
＝m
exh
×
(c
p.exh
×
t
exh-c
p.air
×
t
air
)
式中，m
exh
为通过发动机排气流量，c
p.exh
和c
p.air
分别为发动机排气阀出口和环境大气的定压比热容，t
exh
和t
air
分别为发动机排气阀出口和环境大气的温度；s3.3：利用排放污染物仿真模块计算得到氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳的流量，计算公式为：m
nox
＝0.001587
×vnox
×
(m
air
+m
fuel
)m
hc
＝0.000479
×vhc
×
(m
air
+m
fuel
)m
co
＝0.000966
×vco
×
(m
air
+m
fuel
)式中，m
nox
、m
hc
、m
co
分别是氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳的流量，单位为g/h；v
nox
、v
hc
、v
co
分别是氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳的体积分数，单位为ppm；m
fuel
为燃油流量；通过未完全燃烧的污染物计算燃烧效率，计算公式如下：式中，m
fuel
、m
hc
、m
co
、分别表示燃油流量、碳氢化合物流量、一氧化碳流量和氢气流量；e
fuel
、e
hc
、e
co
、分别表示燃油低热值、碳氢化合物低热值、一氧化碳低热值和氢气低热值；利用燃油流量和燃油低热值以及燃烧效率计算得到燃料释放的能量和未燃损失的能量；s3.4：利用传热过程仿真模块计算发动机传热损失，所述发动机传热损失的热量包括冷却系统的散热、润滑油的散热、缸体的散热和系统储热、冷却系统的散热计算公式如下：q
cool
＝m
cool
×
(c
p.out
×
t
out-c
p.in
×
t
in
)式中，m
cool
为通过发动机冷却液的流量，c
p.in
和c
p.out
分别为发动机冷却液的进口定压比热容和出口定压比热容，t
in
和t
out
别为发动机冷却液的进口的温度和出口的温度；总的传热损失计算公式如下：q
tra
＝q
cool
+m+n
×
t
exh
式中，q
tra
为总的传热损失量，m、n为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到；s3.5：利用热功转换过程仿真模块得到包括指示功率、指示扭矩、指示平均压力、指示热效率、指示燃油消耗率在内的参数；其中，发动机热功过程转化为指示功率对应的热量计算如下：q
ind
＝q
fuel-q
fuel
×
η-q
exh-q
tra
q
fuel
＝m
fuel
×
e
fuel
式中，η为未完全燃烧的污染物的燃烧效率，q
fuel
为燃油消耗功率对应的热量；s3.6：利用机械损失仿真模块计算得到包括机械损失功率、平均机械损失压力、机械效率在内的参数，其中，机械损失仿真模块包括摩擦损失和附件功耗，摩擦损失的功计算如下：式中，w
fri
为发动机摩擦损失的功，a、b、c、d、e为待定系数，待定系数通过发动机台架试验数据拟合得到；
s3.7：利用有效性能参数仿真模块计算得到包括发动机有效功率、有效扭矩在内的参数，计算公式如下：数，计算公式如下：式中，p
e
是发动机的有效功率，t
tor
为发动机有效扭矩，t
f
为发动机当前转速的外特性扭矩，通过外特性扭矩和当前转速插值得到，发动机扭矩百分比，通过can总线读取得到；s3.8：通过软硬件在环实现模型校核。

技术总结
本发明公开了一种发动机孪生模型建模系统及建模方法，属于工程机械的技术领域，系统包括实物样机、服务器和发动机孪生模型，服务器用于与实物样机上的数据进行实时交互；发动机孪生模型是实际发动机的虚拟孪生体，跟随实际发动机实时运行，发动机孪生模型计算一个工作循环的时间小于发动机实际工作一个工作循环的时间；发动机孪生模型包括参数输入模块、参数输出模块和求解模块。本发明实现了发动机实物和发动机孪生模型的实时数据交互，两者共存共生，相互影响；发动机孪生模型可以实现工程机械施工过程发动机全生命周期的性能仿真，全程开展发动机参数分析、故障分析、参数智能控制，对工程机械智慧施工具有重要意义。对工程机械智慧施工具有重要意义。对工程机械智慧施工具有重要意义。


技术研发人员：唐琦军 许祥 任凯 陈涛 谢欣言 蒋蘋 张大庆
受保护的技术使用者：湖南农业大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/23